Кроме спор, которые отличаются высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям, известны высокорадиорезистентные бактерии, не образующие спор. Высокорадиорезистентные бактерии чаще всего встречаются среди кокков. Поверхность различных изделий медицинского назначения, а также воздух помещений, где эти изделия производятся, бывают загрязнены различными бактериями, в том числе сарцинами, которые отличаются особенно высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям. К коккам относится и хорошо известный Micrococcus radiodurans, изолированный из облученного мяса Anderson с соавторами . Спектрофотометрический анализ пигмента радио устойчивых микрококков, выделенных Anderson, показал, что большинства пигментов - каротеноиды . Пигменты, изолированные из радиоустойчивых клеток, были чувствительны, к облучению. Однако высокой радиорезистентностью обладали и беспигментные варианты микрококка . В дальнейшем микрококк, выделенный Anderson, привлек внимание радиобиологов и получил название Micrococcus radiodurance. Он был более устойчив не только к действию рентгеновых лучей или гамма-излучения, но и к облучению ультрафиолетом. Микрококк оказался в 3 раза более устойчивым к ультрафиолетовым лучам, чем кишечная палочка. Для задержки синтеза ДНК в клетках микрококка требуются доли, в 20 раз более высокие, чем те, которые вызывают аналогичный эффект у кишечной палочки.
Можно предположить, что высокая радиорезистентность микрококка связана с особой системой репарации поражений, вызываемых облучением. Отмечена различная природа репараций повреждений Micrococcus radiodurnnce, возникающих в результате ультрафиолетовых облучений и действия ионизирующих излучений .
Высокорадиорезистентные бактерии были выделены из пыли предприятий, производящих медицинские изделия из пластмасс в Дании Christensen с соавторами , Это были Streptococcus Faccium., оказалось, что радиорезистентность различных штаммов одного и того же вида микроорганизмов значительно варьирует. Так, для большинства штаммов Sir, faecium доза 20 - 30 кГр является бактерицидной, и лишь единичные штаммы выдерживают облучение в дозе 40 кГр. Штаммы Str. faecium, выделенные из пыли, оказались более радиорезистентными. Хотя большинство штаммов погибало при облучении в дозах от 20 до 30 кГр, однако некоторые штаммы (4 из 28 исследованных) выдерживали облучение в дозе до 45 кГр.
Концентрация микробных клеток в облучаемом объекте
Одной из причин, играющей существенную роль в эффективности лучевой стерилизации, является концентрация микробных клеток в облучаемом объекте.
В 1951 г, Hollander и соавторы установили, что чувствительность бактерий к облучению является функцией концентрации клеток. С уменьшением концентрации в облучаемой суспензии увеличивается её радиочувствительность 10 7 клеток являлись оптимальной концентрацией бактерий, при которой действие ионизирующих излучений было наиболее эффективным, Многие исследователи отмечали, что стерилизующий эффект облучении зависит как от доли облучения, так и от густоты и объема облучаемой взнеси (7, 36, 75, 141 - 143). При облучении Е. coli бета-лучами от ускорителя Ван-де-Граафа (2 МэВ) было установлено, что абсолютно стерилизующая доза зависит только от концентрации облучаемой суспензии. Между концентрацией микробов и дозой, убивающей 100% клеток, существует прямая пропорциональная зависимость: чем меньше густота облучаемой взвеси, тем меньше доза облучения, дающая полный бактерицидный эффект .
Рисунок 2.1 - Кривые инактивации различных микроорганизмов.
1 - M. radiodurans R; 2 - Staphylococci; 3 - Micrococci; 4 - Coryneform rod; 5 - Spores; 6 - Str. faecium.
При облучении культуры бактерий кишечной палочки стерилизующее действие гамма-излучения для сравнительно негустых взвесей (8*10 5 --10 8 микробных тел на 1 мл) было достигнуто при дозе 2 кГр. Облучение более густой микробной взвеси, содержащей 10 10 микробных тел на1 мл в дозе 2 кГр не давало бактерицидного эффекта. Даже при облучении в дозе 4 и 5 кГр иногда наблюдался рост единичных колоний. Полная стерилизация взвесей, содержавших 10 10 и 2*10 10 микробных тел в 1 мл, была достигнута лишь при облучении в дозе 6 кГр. Дальнейшее увеличение количества микробных тел в 1 мл облучаемой среды не требовало повышения дозы облучения для полного бактерицидного эффекта. Так. взвесь дизентерийных бактерий Флекснера в концентрации 7*10 10 микробных тел в 1 мл была полностью инактивирована дозой 6 кГр. К наиболее радиоустойчивым микроорганизмам относится сарцина. При облучении густых взвесей различных микроорганизмов, как более радиоустойчивых, так и менее радии устойчивых, в дозах 1, 2, 4, 8 кГр и 15 кГр наблюдалась зависимость.между снижением количества выживших микроорганизмов и повышением дозы облучения. Чем выше доза облучения, тем меньшее количество микроорганизмов выживало после облучения. Полное стерилизующее действие было достигнуто при облучении микроорганизмов в концентрации 4*10 10 млрд. микробных тел в 1 мл при дозе 15 кГр. Эта доля убивала и наиболее устойчивых, микроорганизмов - сарцину и сенную палочку.
Таким образом, увеличение концентрации микроорганизмов в облучаемом объекте повышает их радиоустойчивостъ. Это положение справедливо для микроорганизмов с различной радиочувствительностью.
Однако увеличение радиоустойчивости облучаемой взвеси не является следствием формирования радиоустойчивости у облученных клеток. После облучения густых взвесей в бактерицидных дозах выживают единичные особи, образующие колонии микробов при высеве на агар. Изучение радиочувствительности этих выживших бактерий показало, что они не стали более устойчивыми к облучению по сравнению с исходной культурой бактерий. Это явление может иметь место при облучении взвесей микроорганизмов значительно меньшей густоты. Оно известно в литературе под названием "хвостон" . Изучение хвостов также показало, что выжившие после облучения в смертельных дозах бактерии не обладают повышенной радиочувствительностью. Объяснение наблюдаемым явлениям следует искать среди причин, обусловливающих гибель микроорганизмов от ионизирующих излучений. Наиболее вероятной причиной повышения радиоустойчивости микроорганизмов при увеличении концентрации является уменьшение парциального давления делящихся клеток. Во время деления клетки ядро становится более уязвимым к облучению .
Микроорганизмы встречаются в самых неподходящих, на наш взгляд, экологических нишах. Так, некоторые виды бактерий (Bacillus submarinus) способны жить в океанах на глубине более 5000 м, выдерживая гидростатическое давление свыше 3,1–10 8 Па, экстремально термофильные бактерии Thermus aquaticus выделяются из воды и илов горячих источников, температура которых достигает 92° С, крайние галофильные бактерии обнаружены в воде Мертвого моря.
Определенные факторы среды могут различно влиять на микроорганизмы, действовать на них угнетающе либо вызывать гибель микробной популяции. Положительный или отрицательный эффект действующего фактора обусловлен как природой самого фактора, так и свойствами микроорганизма.
Влажность. Наличие влаги обусловливает уровень процессов метаболизма в клетке, поступление в нее веществ питательного субстрата, энергию роста и размножения бактерий.
Большинство бактерий при влажности среды свыше 20% развиваются нормально.
Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы клетки, почти полному прекращению процессов метаболизма и в конечном итоге к переходу микробной клетки в состояние анабиоза. Использование высушивания применяется при хранении пищевых продуктов.
Часто и в условиях глубокого иссушения бактерии сохраняют жизнеспособность. Так, микобактерии туберкулеза сохраняют жизнеспособность в высохшей мокроте больного более 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы в сухом состоянии выживают до 10 лет. Метод сублимаций (высушивания) в настоящее время широко применяется для длительного хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, оспы, гриппа, а также для содержания производственных и музейных культур микроорганизмов.
Температура. Жизнедеятельность прокариот непосредственно зависит от температурного диапазона. Он характеризуется тремя кардинальными точками: минимальная температура, ниже которой прекращается рост и развитие бактерий; оптимальная температура, соответствующая наивысшей скорости роста микроба, максимальная температура, выше которой скорость роста бактерий практически снижается до нуля. На основании температурного диапазона все прокариоты подразделяются на 3 группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.
Психрофилы (от греч. psychros – холод, phileo – люблю) представлены бактериями, развивающимися при низких температурах от – 5 до 20–35 0 С. Среди них выделяют подгруппу облигатных психрофилов, неспособных расти при температуре выше 20 °С. Это бактерии глубоких озер, северных морей и океанов. Вторую весьма обширную подгруппу составляют факультативные психрофилы – бактерии, приспособившиеся к действию переменных температур от – 5 °С до 20–35 °С, населяют зону умеренного климата.
Низкие температуры замедляют в клетке процессы метаболизма, на этом основано использование холодильников, погребов и ледников для хранения пищевых продуктов. Многие микроорганизмы в толще природных льдов способны пребывать в состоянии анабиоза «захороненными» до 12000 лет.
К мезофилам (от греч. mesos – средний) относится подавляющая масса прокариот, для которых температурный диапазон лежит в пределах 10–47° С, при оптимальных температурах 30–40° С. В эту группу входят многие патогенные бактерии, вызывающие заболевания теплокровных животных и человека.
Термофилы (от греч. thermos – тепло, жар) составляют разнообразную группу бактерий, растущих в температурном диапазоне от 10 до 55–60° С. Факультативные термофилы, одинаково успешно развиваются как при температуре 55–60° С, так и при 10–20° С, и облигатные термофилы, не способные к росту при температуре ниже 40° С. Экстремальные термофилы живут при температуре выше 70° С. Они выделены из горячих источников и отнесены к родам Thermomicrobium, Thermus, Thermothrix и др. Особую стойкость к высокой температуре проявляют споры бактерий, выдерживающие температуру кипения в течение двух-трех часов.
Лучистая энергия . Различные виды излучений по разному влияют на бактерии. Инфракрасное излучение (длины волн от 760 нм до 400 мкм) не способно вызвать какие-либо существенные фотохимические изменения в живых клетках. Рентгеновские лучи (длины волн менее 10 нм) ионизируют макромолекулы живых клеток. Возникающие фотохимические изменения вызывают развитие мутаций либо гибель клетки. Отдельные виды бактерий обладают поразительной устойчивостью к действию рентгеновских лучей. Это тионовые бактерии, обитающие в залежах урановых руд, а также бактерии Micrococcus radiodurans, выделяемые из воды атомных реакторов при дозе ионизирующего излучения в 2–3 млн. рад.
Видимый свет (длины волн от 380 до 760 нм) оказывает благоприятное влияние только на развитие фотосинтезирующих бактерий.
Сильным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 253,7 нм. На бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей на бактерии основано использование их для обеззараживания продуктов питания, питательных сред, посуды, а также дезинфекции палат, операционных, помещений родильных домов.
Ультразвук. Ультразвук – высокочастотные колебания звуковых волн (более 20000 Гц). Ультразвук оказывает мощное бактерицидное действие на прокариоты. Сила этого действия зависит от частоты колебаний, длительности воздействия, а также от физиологического состояния и индивидуальных особенностей микроорганизма. При длительном озвучивании микробной культуры наблюдается 100%-ный летальный эффект.
Действие ультразвука заключается в необратимых физико-химических изменениях компонентов микробной клетки и механических повреждениях всех клеточных структур. В настоящее время ультразвук применяют для стерилизации пищевых продуктов, лабораторного оборудования и вакцин.
Реакция среды. Реакция среды является одним из важных факторов, определяющих развитие бактерий, влияет на растворимость веществ питательного субстрата и поступление их в клетку. Изменение реакции среды нередко сопровождается повышением концентрации токсических соединений.
Прокариоты по отношению их к кислотности среды могут быть разделены на несколько групп. Подавляющее большинство их относятся к нейтрофилам, для которых оптимальна нейтральная среда. В этой группы многие бактерии способны проявлять кислотоустойчивость или щелочеустойчиость.
Среди прокариот имеются ацидофилы,
развивающиеся в кислой среде со значением рН 2–3. К умеренным ацидофилам относятся бактерии, обитающие в воде кислых болот и озер, а также в кислых почвах при
рН 3–4. Крайними ацидофилами являются бактерии родов Thiobacillus и Sulfomonas, а также Thermoplasma acidophila.
Алкалофильные бактерии сушествуют в щелочной среде. К алкалофильным бактериям относятся представители рода Bacillus и холерный вибрион, размножение которого возрастает при значении рН выше 9.
На отрицательном влиянии повышенной кислотности среды на большинство микроорганизмов основано применение маринадов.
Кислород. Большинство прокариот для жизнедеятельности нуждаются в кислороде и носят название облигатных (строгих) аэробов.
Облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию кислорода порядка 40–50%. Бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах – не более 2%, получили название микроаэрофилов.
Вторую группу прокариот составляют микроорганизмы, для жизнедеятельности которых молекулярный кислород не нужен. Такие микроорганизмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся маслянокислые, метанобразующие, сульфатвосстанавливающие и некоторые другие бактерии. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участиякислорода. К ним относятся представители родов Methanobacterium, Methanosarcina, Fusobacterium и др.
Многие виды маслянокислых бактерий проявляют устойчивость к молекулярному кислороду и носят название аэротолерантных. Примером аэротолерантов являются бактерии рода Clostridium. Особую аэротолерантность проявляют эндоспоры маслянокислых бактерий. Прокариоты, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях и переключать свой энергетический метаболизм с одного способа получения энергии на другой, получили название факультативных аэробов или факультативных анаэробов. Примером факультативных анаэробов являются денитрифицирующие и десульфофицирующие бактерии, а также обширная группа энтеробактерий.
Антисептики. Химические соединения, оказывающие губительное действие на микроорганизмы, получили название антисептиков.
Действие антисептика на бактерии может быть бактериостатическим или бактерицидным. Бактериостатическое действие лишь прекращает рост и размножение микробных клеток; бактерицидное – вызывает гибель бактерий, что нередко сопровождается лизисом клеток. Получаемый эффект зависит от самой природы химических соединений, их концентрации, от продолжительности действия антисептика на микроорганизмы, а также от сопутствующих факторов среды – температуры, величины рН и т.д.
Антисептики представлены различными органическими и неорганическими соединениями. Из неорганических соединений сильными антисептиками являются соли тяжелых металлов – ртути (сулема), свинца, серебра, цинка и др. Соли ртути, серебра, мышьяка проявляют сильное ингибирующее действие на ферменты микробной клетки. Даже в незначительных концентрациях 1:1000 соли тяжелых металлов вызывают гибель большинства бактерий в течение нескольких минут.
Из органических соединений антисептическим действием обладают этиловый и изопропиловый спирты (70%-ные растворы), фенол, крезол и их производные, формальдегид. Особенно широкое применение находит фенол (карболовая кислота). Большинство микробов погибают от действия 1–5%-ного раствора карболовой кислоты. Сильным антисептиком является формальдегид.
Микроорганизмы, по чувствительности к радиационному действию, обычно располагают в таком порядке: - наиболее чувствительны бактерии, затем плесени, дрожжи, споры бактерий, вирусы. Однако это разделение не абсолютно, так как среди бактерий есть виды более радиоустойчивые, чем вирусы.
Радиочувствительность микроорганизмов модифицируют различные факторы, как внутренние: генетическая природа самой клетки, жизненная фаза клетки и другие, так и внешние: температура, концентрация кислорода и других газов, состав и свойства среды в которой производится облучение, а также тип радиационного воздействия и его мощность и другие факторы. Радиочувствительность микроорганизмов значительно ниже, чем у растений и животных на 1-2 порядка, в ряде случаев бактерицидный эффект для некоторых видов может быть достигнут только при значительных дозах: 1-2 Мрад.
Уже на первых этапах исследования радиационной чувствительности микроорганизмов было показано, что при дозе 5000 Р значительно снижается выживаемость кишечной палочки, а при дозе 20 кР погибает 95 % бактерий. Культура микроорганизмов каждого вида содержит смесь клеток, различных по чувствительности к радиации. Например для культуры кишечной палочки 66% LD50 соответствовала доза 1,2 крад, а для 34 % бактерий - 3,5 крад. При облучении бактерий кишечной группы гамма лучами, их инактивация происходит в пределах от 24 до 168 крад, а гибель всех клеток при дозах около 300 крад.
Для получения одинакового биологического эффекта у различных видов микроорганизмов требуются различные дозы излучения. Эти различия зависят от ряда биологических особенностей облучаемых бактерий, условий облучения, влияния внешней среды и других факторов. Особое значение придается неодинаковой чувствительности нуклеинового обмена и ДНК различных организмов к радиационному облучению.
Чувствительность бактерий к радиации значительно изменяется внутри одного и того же вида и, даже, популяции бактериальных клеток. Популяция клеток состоит из бактерий, располагающихся по устойчивости к радиации в вариационный ряд, так же, как и по другим биологическим признакам. Поэтому в популяции всегда присутствуют особо радиорезистентные клетки, для того, чтобы их убить, нужно облучать более мощными дозами, чем те, при которых погибает основная масса клеток более радиочувствительных. Грамположительные бактерии менее чувствительны к облучению, чем грамотрицательные.
Споры бактерий обладают очень низкой радиочувствительностью, но и среди неспорообразующих микроорганизмов известны организмы радиоустойчивость которых может превышать устойчивость спор. Чаще всего они принадлежат к кокам или сарцинам. Известны микрококки, у которых полулетальная доза равна 400 крад (4 кГр). При лучевой стерилизации мяса, рыбы и других продуктов наиболее часто после облучения в дозах от 600 до 1500 крад обнаруживали кокков. Примером высокой радиоустойчивости могут быть также бактерии, выделяемые из вод атомных реакторов.
Радиационная микробиология - это отрасль микробиологии, изучающая действие ультрафиолетового и ионизирующего излучений на микроорганизмы. Исследования в области радиационной микробиологии имеют целью: 1) изучение механизмов биологического действия ультрафиолетового и ионизирующих излучений на микроорганизмы; 2) использование радиации как фактора, вызывающего наследственную изменчивость или гибель бактерий.
Микроорганизмы служат широко используемым объектом радиобиологических экспериментов для исследования общих закономерностей действия излучений на клетку. В этой области радиационная микробиология непосредственно смыкается с радиобиологией (см.). Радиационная микробиология решает вместе с тем важные практические задачи, имеющие народнохозяйственное значение, например применение излучений как фактора переделки природы микроорганизмов с целью получения больших выходов биологически ценных веществ (антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот). На стерилизующем эффекте излучений основан метод «холодной» стерилизации (см.), которая часто имеет преимущества перед стерилизацией теплом или антисептиками, а иногда оказывается единственно возможной.
Действие ионизирующей радиации на наследственность было впервые обнаружено в опытах на микроорганизмах. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили, что под влиянием рентгеновского излучения у микроорганизмов возникают изменения, стойко сохраняющиеся в последующих поколениях (мутации). Это наблюдение положило начало развитию новой отрасли знаний - радиационной генетике (см.). Радиационная микробиология учитывает вскрытые этой наукой закономерности, в частности то, что в определенном диапазоне доз излучения количество мутантных форм увеличивается пропорционально дозе. При помощи ионизирующей радиации естественная частота мутационного процесса может быть увеличена в десятки раз. При этом, конечно, увеличивается выход самых разнообразных наследственно измененных вариантов, затрагивающих различные наследуемые признаки микроорганизмов. Именно поэтому само по себе облучение без последующей селекции не может служить способом получения измененных в желаемом направлении форм микроорганизмов. Облучение лишь обеспечивает появление в микробной популяции большего числа вариантов с наследственными изменениями. Последующая селекция по интересующему признаку позволяет быстрее и с большей вероятностью успеха отобрать необходимый для тех или иных нужд вариант. Так, например, селекция штаммов-продуцентов пенициллина Penicillium chrysogenum с предварительным воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучений позволила американским микробиологам отобрать варианты с продуктивностью, более чем в 100 раз превышающей выработку пенициллина исходным штаммом. Использование мутантов, индуцированных нейтронами, - рентгеновским и ультрафиолетовым излучениями или химическими мутагенами, в 15-30 раз повысило продуктивность штаммов-продуцентов стрептомицина, хлортетрациклина, окситетрациклина. Ведутся работы по радиационной селекции других важных в производственном отношении штаммов микроорганизмов (вакцинных, токсигенных, продуцентов аминокислот и т. п.).
Проблемы радиационной микробиологии, относящиеся к использованию стерилизующего действия радиации, прежде всего связаны с определением доз радиации и условий облучения, обеспечивающих гибель микроорганизмов. Бактерицидное действие рентгеновых лучей было известно уже в конце прошлого столетия. Однако практическое использование ионизирующих излучений для целей стерилизации стало возможным только в последние годы благодаря созданию мощных облучателей, в частности гамма-облучателей, заряженных радиоактивным кобальтом. Современные гамма-облучатели дают возможность обеспечивать огромные дозы радиации в короткое время и в больших объемах облучаемого объекта. Необходимость в создании установок большой мощности для целей стерилизации объясняется относительно высокой радиорезистентностью микроорганизмов. Если для млекопитающих летальные дозы облучения колеблются в пределах 400-1000 рад, то инактивация микробов в зависимости от условий облучения происходит только при использовании доз порядка сотен тысяч или миллионов рад.
Бактерицидное действие ионизирующих излучений зависит от ряда факторов. Высушивание микроорганизмов приводит к повышению радиорезистентности. Аналогичное действие оказывают уменьшение парциального давления кислорода в облучаемом объекте, понижение температуры во время облучения, а также условия, создаваемые после облучения. В случаях облучения микробных культур чувствительность микроорганизмов меняется в зависимости от цикла развития культуры.
Различные микроорганизмы обладают различной радиорезистентностью. Так, например, для достижения стерилизующего эффекта при облучении взвесей неспорообразующих бактерий (Bact. coli, Proteus vulgaris) необходимо облучение в дозах 100 000-500 000 рад. Для инактивации спор спорообразующих микроорганизмов необходимы большие дозы - 1 500 000-2 500 000 рад.- Еще более устойчивы вирусы: стерилизующий эффект наступает только при облучениях в дозах 3 000 000- 5 000 000 рад.
Изменение условий внешней среды оказывает воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Физические, химические, биологические факторы среды могут ускорять или подавлять развитие микробов, могут изменять их свойства или даже вызывать гибель.
К факторам среды, оказывающим наиболее заметное действие на , относятся влажность, температура, кислотность и химический состав среды, действие света и других физических факторов.
Влажность
Микроорганизмы могут жить и развиваться только в среде с определенным содержанием влаги. Вода необходима для всех процессов обмена веществ микроорганизмов, для нормального осмотического давления в микробной клетке, для сохранения ее жизнеспособности. У различных микроорганизмов потребность в воде не одинакова. Бактерии относятся в основном к влаголюбивым, при влажности среды ниже 20 % их рост прекращается. Для плесеней нижний предел влажности среды составляет 15%, а при значительной влажности воздуха и ниже. Оседание водяных паров из воздуха на поверхность продукта способствует размножению микроорганизмов.
При снижении содержания воды в среде рост микроорганизмов замедляется и может совсем прекращаться. Поэтому сухие продукты могут храниться значительно дольше продуктов с высокой влажностью. Сушка продуктов позволяет сохранять продукты при комнатной температуре без охлаждения.
Некоторые микробы очень устойчивы к высушиванию, некоторые бактерии и дрожжи в высушенном состоянии могут сохраняться до месяца и более. Споры бактерий и плесневых грибов сохраняют жизнеспособность при отсутствии влаги десятки, а иногда и сотни лет.
Температура
Температура — важнейший фактор для развития микроорганизмов. Для каждого из микроорганизмов существует минимум, оптимум и максимум температурного режима для роста. По этому свойству микробы подразделяются на три группы:
- психрофилы - микроорганизмы, хорошо растущие при низких температурах с минимумом при -10-0 °С, оптимумом при 10-15 °С;
- мезофилы - микроорганизмы, для которых оптимум роста наблюдается при 25-35 °С, минимум — при 5-10 °С, максимум — при 50-60 °С;
- термофилы - микроорганизмы, хорошо растущие при относительно высоких температурах с оптимумом роста при 50-65 °С, максимумом — при температуре более 70 °С.
Большинство микроорганизмов относится к мезофилам, для развития которых оптимальной является температура 25-35 °С. Поэтому хранение пищевых продуктов при такой температуре приводит к быстрому размножению в них микроорганизмов и порче продуктов. Некоторые микробы при значительном накоплении в продуктах способны привести к пищевым отравлениям человека. Патогенные микроорганизмы, т.е. вызывающие инфекционные заболевания человека, также относятся к мезофилам.
Низкие температуры замедляют рост микроорганизмов, но не убивают их. В охлажденных пищевых продуктах рост микроорганизмов замедленно, но продолжается. При температуре ниже О °С большинство микробов прекращают размножаться, т.е. при замораживании продуктов рост микробов останавливается, некоторые из них постепенно отмирают. Установлено, что при температуре ниже О °С большинство микроорганизмов впадают в состояние, похожее на анабиоз, сохраняют свою жизнеспособность и при повышении температуры продолжают свое развитие. Это свойство микроорганизмов следует учитывать при хранении и дальнейшей кулинарной обработке пищевых продуктов. Например, в замороженном мясе могут длительно сохраняться сальмонеллы, а после размораживания мяса они в благоприятных условиях быстро накапливаются до опасного для человека количества.
При воздействии высокой температуры, превышающей максимум выносливости микроорганизмов, происходит их отмирание. Бактерии, не обладающие способностью образовывать споры, погибают при нагревании во влажной среде до 60-70 °С через 15-30 мин, до 80-100 °С — через несколько секунд или минут. У спор бактерий термоустойчивость значительно выше. Они способны выдерживать 100 °С в течение 1-6 ч, при температуре 120-130 °С споры бактерий во влажной среде погибают через 20-30 мин. Споры плесеней менее термостойки.
Тепловая кулинарная обработка пищевых продуктов в общественном питании, пастеризация и стерилизация продуктов в пищевой промышленности приводят к частичной или полной (стерилизация) гибели вегетативных клеток микроорганизмов.
При пастеризации пищевой продукт подвергается минимальному температурному воздействию. В зависимости от температурного режима различают низкую и высокую пастеризацию.
Низкая пастеризация проводится при температуре, не превышающей 65-80 °С, не менее 20 мин для большей гарантии безопасности продукта.
Высокая пастеризация представляет собой кратковременное (не более 1 мин) воздействие на пастеризуемый продукт температуры выше 90 °С, которая приводит к гибели патогенной неспороносной микрофлоры и в то же время не влечет за собой существенных изменений природных свойств пастеризуемых продуктов. Пастеризованные продукты не могут храниться без холода.
Стерилизация предусматривает освобождение продукта от всех форм микроорганизмов, в том числе и спор. Стерилизация баночных консервов проводится в специальных устройствах — автоклавах (под давлением пара) при температуре 110-125°С в течение 20-60 мин. Стерилизация обеспечивает возможность длительного хранения консервов. Молоко стерилизуется метолом ультравысокотемпературной обработки (при температуре выше 130 °С) в течение нескольких секунд, что позволяет сохранить все полезные свойства молока.
Реакция среды
Жизнедеятельность микроорганизмов зависит от концентрации водородных (Н +) или гидроксильных (ОН -) ионов в субстрате, на котором они развиваются. Для большинства бактерий наиболее благоприятна нейтральная (рН около 7) или слабощелочная среда. Плесневые грибы и дрожжи хорошо растут при слабокислой реакции среды. Высокая кислотность среды (рН ниже 4,0) препятствует развитию бактерий, однако плесени могут продолжать расти и в более кислой среде. Подавление роста гнилостных микроорганизмов при подкислении среды имеет практическое применение. Добавление уксусной кислоты используется при мариновании продуктов, что препятствует процессам гниения и позволяет сохранить продукты. Образующаяся при квашении молочная кислота также подавляет рост гнилостных бактерий.
Концентрация соли и сахара
Поваренная соль и сахар издавна используются для повышения стойкости продуктов к микробной порче и лучшей сохранности пищевых продуктов.
Некоторые микроорганизмы нуждаются для своего развития в высоких концентрациях соли (20 % и выше). Их называют солелюбивыми, или галофилами. Они могут вызывать порчу соленых продуктов.
Высокие концентрации сахара (выше 55-65 %) прекращают размножение большинства микроорганизмов, это используется при приготовлении из плодов и ягод варенья, джема или повидла. Однако эти продукты тоже могут подвергаться порче в результате размножения осмофильных плесеней или дрожжей.
Свет
Некоторым микроорганизмам свет необходим для нормального развития, но для большинства из них он губителен. Ультрафиолетовые лучи солнца обладают бактерицидным действием, т. е. при определенных дозах облучения приводят к гибели микроорганизмов. Бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей ртутно-кварцевых ламп используют для дезинфекции воздуха, воды, некоторых пищевых продуктов. Инфракрасные лучи тоже могут вызвать гибель микробов за счет теплового воздействия. Воздействие этих лучей применяют при тепловой обработке продуктов. Негативное воздействие на микроорганизмы могут оказывать электромагнитные поля, ионизирующие излучения и другие физические факторы среды.
Химические факторы
Некоторые химические вещества способны оказывать на микроорганизмы губительное действие. Химические вещества, обладающие бактерицидным действием, называют антисептиками. К ним относятся дезинфицирующие средства (хлорная известь, гипохлориты и др.), используемые в медицине, на предприятиях пищевой промышленности и общественного питания.
Некоторые антисептики применяются в качестве пищевых добавок (сорбиновая и бензойная кислоты и др.) при изготовлении соков, икры, кремов, салатов и других продуктов.
Биологические факторы
Антагонистические свойства некоторых объясняются способностью их выделять в окружающую среду вещества, обладающие антимикробным (бактериостатическим, бактерицидным или фунгицидным) действием, - антибиотики. Антибиотики продуцируются в основном грибами, реже бактериями, они оказывают свое специфическое действие на определенные виды бактерий или грибов (фунгицидное действие). Антибиотики применяются в медицине (пенициллин, левомицетин, стрептомицин и др.), в животноводстве в качестве кормовой добавки, в пищевой промышленности для консервирования пищевых продуктов (низин).
Антибиотическими свойствами обладают фитонциды — вещества, обнаруженные во многих растениях и пищевых продуктах (лук, чеснок, редька, хрен, пряности и др.). К фитонцидам относятся эфирные масла, антоцианы и другие вещества. Они способны вызывать гибель патогенных микроорганизмов и гнилостных бактерий.
В яичном белке, рыбной икре, слезах, слюне содержится лизоцим — антибиотическое вещество животного происхождения.